[发明专利]卡尔曼跟踪环路设计方法、卡尔曼跟踪环路、航天飞行器

说明书

本发明属于航天飞行器测控通信技术领域，公开了一种卡尔曼跟踪环路设计方法、卡尔曼跟踪环路、航天飞行器，建立时变等离子体鞘套模型并计算等离子体鞘套下接收信号的幅度衰减和相移；建立幅度衰减的自回归模型和计算相移的统计特性；设计卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程；设计高超声速飞行器新型卡尔曼跟踪环路；通过对等离子体鞘套信道下接收信号的幅度衰减和相移进行分析，计算幅度衰减的自回归模型和相移的统计特性，设计适用于等离子体鞘套信道的Kalman滤波器；将等离子体鞘套作用下接收信号的幅度衰减考虑到跟踪环路设计中，建立同时跟踪接收信号幅度衰减和相位的卡尔曼滤波器。本发明为高超声速飞行器的信号稳定跟踪提供了新思路。

技术领域

本发明属于航天飞行器测控通信技术领域，尤其涉及一种卡尔曼跟踪环路设计方法、卡尔曼跟踪环路、航天飞行器，具体涉及一种高超声速飞行器新型卡尔曼跟踪环路设计方法。

背景技术

目前，临近空间高超声速飞行器飞行速度快、机动范围大的特性使接收机接收信号存在着大的多普勒频移及高阶导数。此外，高超声速飞行器在穿透大气层时，包覆飞行器表面的等离子体鞘套会对电磁波产生吸收、反射和散射作用，电磁信号透过等离子体鞘套之后会产生严重的幅度衰减和相位偏移。因此高超声速飞行器载波跟踪环路设计受到大动态多普勒频偏、严重幅度衰减和相移等多重因素挑战。

目前测控通信领域载波跟踪的方法主要有两大类：一类是基于传统锁相环(PLL)的跟踪环路，另一类是基于卡尔曼(Kalman)滤波器的跟踪环路。现有的基于这两类方法的跟踪环路在一般应用场景下性能优良，但在大动态多普勒和等离子体鞘套信道下尚不能实现载波的稳健跟踪。第一类方法未考虑接收信号的幅度噪声影响，且环路滤波器的带宽是恒定值，大动态多普勒要求锁相环的环路滤波器带宽较大，低信噪比要求环路滤波器带宽较小，无法均衡大宽带和高精度的矛盾，在高动态低信噪比和严重等离子体鞘套幅度衰减的状态下传统锁相环的载波跟踪能力急剧下降。第二类方法为了解决大动态和低信噪比的矛盾问题，引入Kalman滤波器，目前仅考虑大动态多普勒，其状态变量通常为载波的相位、多普勒频率、多普勒加速度三个变量，虽然能较好的解决大动态跟踪难题，但也未考虑等离子体鞘套信道下信号幅度衰减对跟踪环路的影响。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的跟踪环路在大动态多普勒和等离子体鞘套信道双重恶劣条件下存在大动态多普勒要求环路带宽较大，低信噪比要求环路带宽较小。

(2)传统跟踪环路使用环路滤波器的带宽为定值，无法均衡大带宽和高精度的矛盾。

(3)传统跟踪环路工作在信号幅度衰减一般可以忽略不记，或者衰减为定值的场景，高超声速飞行器的接收信号幅度衰减具有快时变性，传统跟踪环路在高超场景下由于时变幅度衰减的影响极易失锁。

解决以上问题及缺陷的难度为：

高超声速飞行器接收信号由于等离子体鞘套作用产生严重幅度衰减。传统跟踪环路在跟踪过程中忽略接收信号幅度衰减，只能克服大动态多普勒频偏和多普勒加速度对接收信号的影响。在高超环境下，接收信号幅度衰减会使锁相环失锁，不能忽略。如何在环路设计中考虑接收信号幅度衰减是锁相环在等离子体鞘套下实现载波稳定跟踪的难点重点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明提供了一种卡尔曼跟踪环路设计方法，实现了高超声速环境下接收信号的稳健跟踪，为存在严重幅度衰减的接收机跟踪环路设计提供新思路。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种卡尔曼跟踪环路设计方法、卡尔曼跟踪环路、航天飞行器。